Odborně-vzdělávací a zpravodajský portál z oblasti strojírenství a navazujících oborů
Články >> Tvrdé PVD povlaky se zvýšenou lomovou houževnatosti
Chcete dostávat MM Průmyslové spektrum ZDARMA až do Vaší schránky? Více informací zde.

Tvrdé PVD povlaky se zvýšenou lomovou houževnatosti

Společnost SHM Šumperk a Laboratoř PVD technologií Masarykovy univerzity vyvíjejí v úzké spolupráci druhým rokem nový typ ochranných povlaků, které vykazují nejen vysokou tvrdost, ale i zvýšenou odolnost proti tvorbě a šíření trhlin. Mezi úkoly projektu patří experimentální příprava těchto vrstev, studium jejich vlastností, nalezení optimálních parametrů procesu a nakonec otestování u zákazníků. V tuto chvíli je projekt ve fázi přípravy a měření mechanických vlastností dvou povlaků: WBC a TaBC.

Vrstvy obsahující bor obvykle vykazují extrémně vysokou tvrdost a jsou odolné proti otěru. Uhlíkaté vrstvy zase často vykazují nanokompozitní strukturu, kdy zrna karbidu bývají uložena v uhlíkové matrici a tato nanokompozitní struktura díky značnému množství rozhraní ztěžuje šíření trhliny v materiálu a zvyšuje tak jeho lomovou odolnost. Trhlina může být na rozhraní vrstev odkloněna nebo je její šíření výrazným způsobem ztíženo.

Příprava nových typů povlaků

Příprava těchto nových tenkých vrstev probíhá nejen ve firmě SHM Šumperk, ale i přímo na Masarykově univerzitě, jíž firma SHM zapůjčila jeden ze svých průmyslových depozičních systémů. Díky přípravě povlaků přímo na Masarykově univerzitě může být pro rychlou a přesnou analýzu deponovaných povlaků využíváno pokročilé přístrojové vybavení výzkumného centra CEPLANT, v němž Laboratoř PVD technologií působí, což urychluje a zefektivňuje probíhající výzkum.
Pro samotnou přípravu povlaků je na obou spolupracujících pracovištích využíván průmyslový depoziční systém společnosti SHM, jehož schéma je na obrázku 1. Systém je ve standardní konfiguraci s válcovou magnetronovou katodou a s planetárním systémem rotace substrátů. Terč válcové katody se skládá ze segmentů s odlišným složením. Vhodným poskládáním těchto segmentů je dosaženo různé stechiometrie po výšce povlakovaného substrátu. V tomto uspořádání je možné analyzovat vlastnosti deponovaných povlaků v závislosti na jejich složení a ušetřit množství procesů, které by bylo nutné realizovat v případě depozice z oddělených katod. Po nalezení správné stechiometrie se segmenty přeskládají tak, aby složení povlaku bylo ve všech výškách rovnoměrné. Vyvíjený depoziční proces je tedy přímo přenositelný do výroby.

Tvrdost (vlevo) a modul pružnosti (vpravo) TaBC a WBC povlaků v závislosti na obsahu boru v jeho struktuře.


 a) Schéma depozičního systému s centrální válcovou katodou, b) pohled shora

Tvrdost a modul pružnosti TaBC a WBC povlaků

Pro studium vlivu obsahu boru a uhlíku na funkční vlastnosti této nové generace ochranných povlaků byly připraveny TaBC a WBC povlaky s podílem kovového prvku nastaveným na 25 atomových procent. Mechanické zkoušky povlaků pomocí instrumentované vtiskové zkoušky (nanoindentace) ukazují, že tvrdost i modul pružnosti přímo závisí na obsahu boru a uhlíku, jak je ukázáno v grafech na obrázku 2. Obecně platí, že povlaky obsahující nízký podíl boru ve struktuře vykazují nižší tvrdost i modul pružnosti. Maxima tvrdosti a modulu pružnosti je dosaženo, pokud povlak obsahuje okolo 40 atomových procent boru. Obdobný vývoj je pozorován nezávisle na použitém kovovém prvku, depoziční teplotě nebo typu planetární rotace substrátu. Mechanické vlastnosti povlaků tak lze jednoduše nastavit díky kontrole jediného parametru, a to prvkového složení, což výrazně usnadňuje jejich průmyslovou přípravu.


Boční pohled na zlomený WBC povlak s multivrstevnatou strukturou z rastrovacího elektronového mikroskopu (vlevo) a prozařovacího elektronového mikroskopu (uprostřed a vpravo)


Boční pohled na zlomený WBC povlak (a) s chemickým mapováním energiově disperzní spektroskopie (EDS): b) wolfram, c) bor

Hlavním rozdílem mezi TaBC a WBC povlaky je jejich mikrostruktura. Zatímco WBC povlaky vykazují plně amorfní strukturu v celém rozsahu studovaných podmínek, TaBC povlaky jsou nanokrystalické nebo nanokompozitní a jejich struktura je tvořena různými krystalickými fázemi v závislosti na jejich prvkovém složení. TaBC povlaky s vyšším podílem boru obsahují krystalické fáze boridů a diboridů tantalu. Povlaky, kde bór je již z velké části nahrazen uhlíkem, pak obsahují karbidické fáze tantalu. Přítomné krystality jsou velmi malé. Dosahují velikosti jen několika nanometrů a vzhledem ke složení daných povlaků jsou velmi pravděpodobně uloženy v amorfní matrici. Z toho plynou rozdílné hodnoty tvrdosti a modulu pružnosti mezi nanokompozitními/nanokrystalickými TaBC povlaky, které dosahují tvrdosti až 33 GPa (modul pružnosti až 400 GPa), a zcela amorfními WBC povlaky, které dosahují tvrdosti do 25 GPa (modul pružnosti 350 Gpa).

Multivrstevnatá struktura povlaků

Připravené povlaky mají navíc multivrstevnatý charakter. Na obrázku 3 jsou snímky z rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM) a prozařovacího elektronového mikroskopu (TEM). Na snímcích je ukázán boční pohled na zlomený povlak, na kterém je tato multivrstevnatá struktura patrná. Povlak se skládá z vrstev různé tloušťky, které se odlišují svým prvkovým složením. Dochází zde ke střídání vrstev s vysokým a nízkým podílem wolframu, což je ukázáno na prvkové mapě na obrázku 4. Průměrná tloušťka jednotlivých vrstviček je 9 nanometrů.

Multivrstevnaté struktury povlaků je dosaženo díky konfiguraci depoziční komory, kdy díky vhodně zvolené geometrii katody a komory dochází k naprašování vrstev s různým prvkovým složením před a za katodou. Tento efekt je demonstrován v grafu na obrázku 5, kde je znázorněna závislost prvkového složení povlaků připravených na staticky umístěné substráty okolo centrální katody. V oblasti (1) před terčem dochází k růstu povlaků se stejným podílem wolframu, boru a uhlíku, zatímco v oblasti (2) za terčem povlaky obsahují nižší podíl těžkého wolframu a jsou tvořeny převážně lehkými prvky, tedy borem a uhlíkem.




Závislost chemického složení vrstev staticky umístěného okolo zdroje částic

Během standardní depozice přechází substrát v důsledku planetární rotace mezi zónami s nižším a vyšším podílem wolframu, což vytváří multivrstevnatou strukturu povlaku složenou z vrstev s nižším a vyšším podílem wolframu. Pouhou změnou rychlosti rotace nebo jejího typu je tak možné řídit tloušťku jednotlivých vrstev a nalézt tak optimální tloušťku jednotlivých nanovrstev a tím dále zvýšit lomovou houževnatost připravených povlaků.

Uplatnění povlaků v nejnáročnějších podmínkách

U připravovaných TaBC a WBC povlaků nové generace se dá předpokládat výhodná kombinace vysoké tvrdosti a zvýšené odolnosti proti vzniku a šíření trhlin díky jejich vhodnému prvkovému složení a díky nanokompozitní struktuře, která v kombinaci s multivrstevnatou strukturou zamezuje vzniku a šíření trhlin. Tím se podstatně zvyšuje možnost využití takovýchto povlaků i v nejnáročnějších aplikacích.

Už předchozí testy na stejném typu povlaku MoBC (viz www.mmspektrum.com/180508) prokázaly jeho zvýšenou lomovou houževnatost. Proto je velká šance, že i nově vyvíjené povlaky budou mít obdobné vlastnosti. Pak by tato skupina povlaků, která prozatím nebyla průmyslově připravena, měla velký potenciál v oblasti ochranných vrstev pro obráběcí a tvářecí nástroje, kde by mělo dojít ke skokovému zvýšení životnosti, případně k nasazení v aplikacích, kde současné povlaky nefungují.

SHM

Mgr. Michael Kroker, Vjačeslav Sochora, Ph.D., Pavel Souček, Ph.D., prof. Petr Vašina

sochora@shm-cz.cz

www.shm-cz.cz


www.pvdlab.cz

Další články

Technologie pro povrchové úpravy
Nástroje pro obrábění / řezné materiály

Komentáře

Nebyly nalezeny žádné příspěvky

Sledujte nás na sociálních sítích: